Bir uzay aracını izleyen bilim insanları onun Dünya'dan uzaklığını nasıl belirliyorlar?

Yanıt oldukça basit: Uzay aracına Dünya'dan bir sinyal gönderiliyor ve uzay aracı da onu hemen geri iletiyor. Sinyalin bu iki yönlü yolculuğu için gereken süreyi ölçebilirseniz uzay aracının Dünya'dan uzaklığını bulabilirsiniz. Çünkü gönderdiğiniz sinyal bilinen bir hızda, yani "ışık" hızıında hareket ediyor olacaktır.

Ancak işin zor olan tarafı, zamanın doğru ve hassas ölçülebilir olmasıdır. Uzay aracının konumunu birkaç metrelik hata payıyla bulmak için saniyenin milyarda birini ölçebilen ve son derece kararlı saatlere ihtiyacınız olacak.

İnsanın zaman hikayesinde, bu derece hassas ve kararlı bir zaman ölçümü ancak son yüzyılda atomun keşfi sonrasında başarılabilmiştir.

Zamanın tanımı

Bizler "zaman"ı, tanımlamakta zorlanıyoruz ama her dönem onu ölçebilme yolları aradık.

Erken dönem insanı için zaman, Güneş'in doğuşu ve batışı ile tanımlıydı. Ancak doğada tekrarlanan olgular, zamanla ve konuma bağlı olarak gece-gündüzün Dünya üzerinde farklılık göstermesi zamanı farklı ölçeklerde tanımlanmasını gerektirmiş. Bu amaçla günü belirli aralıklara bölmek için Güneş'in hareketini izleyen basit düzenekler tasarlanmış.

Bilinen en eski Güneş saati ise MÖ 1500'lerde eski Mısırlılara ait. 

Daha sonra, gök cisimlerinin hareketlerinden bağımsız zaman ölçen ilk aletler olarak Mısırlılar tarafından kullanılan, dibine delik açılmış kaplardaki suyu veya kumu boşaltarak zaman ölçen "su ve kum saatleri"ni görüyoruz.  

Daha sonra mekanik saatler ortaya çıktı ve ilk olarak ortaçağ Avrupa kiliselerinde kullanılmaya başlandı. Bunlar, uygun hızlarda bir günü 24 dilime bölerek saat tanımını gerçekleştirdiler. Ardından 17. yüzyılın ortalarında sarkaçlı saatin geliştirilmesiyle, saati dakikalara ve saniyelere böldüler.

Bilim ilerledikçe, bilim insanları yeni keşiflerini kullanarak zamanı ölçecek daha hassas teknikler geliştirdiler.

Piezeoelektrik etki ve kuvars saatler

1800'lü yıllarda dönemin bilim insanları kristal bir malzemeye uygulanan mekanik sıkıştırmanın kristal üzerinde elektrik potansiyel yaratılabileceğini ileri sürerler ve bu olayı "sıkmak" anlamına gelen "piezein" kelimesinden hareketle "piezeoelektrik etki" olarak adlandırırlar.  Ancak bu kuramsal öngörüye ilişkin deneysel bir kanıt sunamazlar.

İki kardeş, Jacques ve Pierre Curie, Paris'te Eugene Curie isimli bir doktorun bilime meraklı iki oğludur. Daha 20'li yaşlarının başında olan Curie kardeşler, bilim insanlarının "piezeoelektrik etki" olarak adlandırdıkları etkiyi kuvars, şeker kamışı, Rochelle tuzu ve turmalin gibi çeşitli kristal malzemeler üzerinde test ederler ve mekanik gerilimin gerçekten de kristal yapılı malzemelerde bir elektrik potansiyele yol açtığını kanıtlarlar. En güçlü piezeoelektrik etki ise kuvars minerali ve Rochelle tuzunda gözlenmektedir.

Bu keşfin hemen sonrasında Fransız bilim insanı Gabriel Lippman, bu etkinin ters etkisi olabileceğini öne sürer. Kardeşler, Lippman'ın öngörüsünü test ettiklerinde piezoelektrik etkinin ters yönde de çalıştığını, kristale elektrik akımı uyguladıklarında kristalin sabit bir frekansta titreştiğini keşfederler.

Yıl 1880'dir ve kuvars saatleri artık insan yaşamının parçası olmaya adaydır. Kuvars osilatörü kullanan ilk saat, 1927'de Bell Laboratuvarları'ndan Warren Marrison ve Joseph Horton tarafından geliştirilir.

Günümüzde kol saatleri, mobil cihazlar, bilgisayarlar ve diğer elektronik cihazlar piezoelektrik etki olarak bilinen bu fenomene dayanıyor.

Bu arada kardeşlerden Piere Curie'nin, Marie Skłodowska'nın gelecekteki eşi olacağını ve birlikte radyoaktiviteyi keşfederek Nobelle ödüllendirileceklerini de kaydedelim.

Kuantum sıçrama ve atom saatleri

20. yüzyıl bilim tarihinin en inovatif dönemidir ve atomik yapının keşfi ile başlayan süreç beraberinde keşifler fırtınası yaratarak ilerler.

Atomun sırlarının keşfi için yola çıkan bilim insanları kendilerini tuhaf kuralları olan bir mikro kozmosun içinde buldular. Bu tuhaf kurallardan birisi "kuantum sıçrama" idi.

Kuantum sıçramayı anlamak için atomik yapıya bakıyoruz. Biliyorsunuz her element, çekirdeğinde belirli sayıda proton bulunan bir atom tarafından temsil edilir. Çekirdeğin etrafında uçuşan elektronlar, katı kuralları olan farklı enerji seviyelerinde bulunmak zorundadırlar. Bunlar kuantum enerji seviyeleridir ve bu seviyeler arası elektronlar için yasak bölgedir. Dolayısıyla elektronlar ancak bir seviyeden diğerine sıçrayarak geçebilirler.

Buna kuantum sıçrama deniyor.

Bir elektronun kendi enerji seviyesinden sıçrama yaparak bir üst seviyeye sıçrayabilmesi için doğru miktarda enerji alması gerekir. Sıçrama yapan elektron, aynı miktarda enerjiye sahip bir elektromanyetik dalga salarak hemen geri döner ve bu dalganın frekansı doğadaki her element atomu için karakteristiktir.

1939 yılında bilim insanı Isidor Isaac Rabi, atomların kuantum sıçramaları ile salınan enerji frekansını bulmak için bir yöntem geliştirir ve bu yöntemin bir saat tasarımında kullanılmasını önerir. Hemen bir yıl sonra Columbia'daki bilim insanları sezyum elementinin rezonans frekansını belirleyerek ilk atomik saati gerçekleştirirler. Bu bir "sezyum saati"dir.

Bir sezyum saati, sezyum atomlarını ışık yardımıyla uyarır ve kuantum sıçrama gerçekleşir. Elektronlar geriye, enerji seviyelerine dönerken, rezonans frekansı olarak bilinen karakteristik frekansta elektromanyetik bir dalga yayarlar.  Bu frekans, sezyum atomunun doğal rezonans frekansıdır ( 9.192.631.770 Hz ) ve bir saniyelik sürenin tanımlanmasında kullanılır.

Sezyum atomu bizlere, uzayda gerçekleştirilecek görevler için zamanı doğru ve hassas ölçebilen kararlı ve güvenli bir saat sunuyor.

Ama bilim insanları “Daha iyisini yapabiliriz,” diyorlar ve belki de çok yakında, çok daha yüksek frekanslarda geçiş yapan stronsiyum saatlerle tanışabiliriz!

Kaynakça:

https://www.aps.org/archives/publications/apsnews/201403/physicshistory.cfm https://www.nasa.gov/missions/tech-demonstration/deep-space-atomic-clock/what-is-an-atomic-clock/

https://www.timeanddate.com/time/international-atomic-time.html

https://www.nps.gov/people/manhattan-project-scientists-isidor-isaac-rabi.htm